วิทยาศาสตร์เทคนิค

UDC 537.312.62:620.018.45

วิธีการผลิตและคุณสมบัติของเซรามิก HTSC ที่ใช้ผงอัลตราไฟน์

โอ.แอล. คาซานอฟ

มหาวิทยาลัยสารพัดช่าง Tomsk อีเมล: [ป้องกันอีเมล]

มีการอธิบายผลลัพธ์ของการพัฒนาเทคโนโลยีสำหรับการผลิตเซรามิกตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงโดยใช้ผงละเอียดพิเศษรวมถึงวิธีการบดอัดแบบแห้งภายใต้อิทธิพลของอัลตราซาวนด์อันทรงพลัง เป็นธรรม เงื่อนไขที่เหมาะสมที่สุดกระบวนการสังเคราะห์ผง HTSC และการเผาเซรามิก ข้อมูลถูกนำเสนอเกี่ยวกับคุณสมบัติด้านประสิทธิภาพของตัวอย่างของหน้าจอสนามแม่เหล็กไฟฟ้า เครื่องสะท้อนคลื่นไมโครเวฟเชิงปริมาตร และ SQUID เซรามิกที่ทำจากเซรามิก HTSC

การแนะนำ

ในบรรดาวัสดุเซรามิกสมัยใหม่ เซรามิกที่มีตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง (HTSC) ครอบครองสถานที่พิเศษ ปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงกว่า 30 K ถูกค้นพบโดยการทดลองในปี 1986 โดย J. Bednorz และ K. Müller ในตระกูลแลนทานัมคัพเรต Ba-La-Cu-O และในไม่ช้า อุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านของตัวนำยิ่งยวดวิกฤต Tc ก็สูงถึงจุดเดือดของของเหลว ไนโตรเจน (77 TO) ด้วยการเอาชนะเกณฑ์ดังกล่าว โอกาสที่น่าตื่นเต้นสำหรับการประยุกต์ใช้ HTSC ในทางปฏิบัติในด้านอิเล็กทรอนิกส์ เทคโนโลยีการสื่อสาร และการวัดที่แม่นยำ ในด้านพลังงาน วิศวกรรมไฟฟ้า การขนส่ง และสาขาอื่นๆ ก็เกิดขึ้น

ดังนั้นการวิจัยจึงไม่เพียงพัฒนาในทิศทางพื้นฐานเท่านั้น แต่ยังพัฒนาในด้านที่ประยุกต์ด้วย ปัญหาสำคัญคือการพัฒนาเทคโนโลยีที่ทำให้สามารถผลิตผลิตภัณฑ์ที่ต้องการจากวัสดุเซรามิกที่เปราะบาง เช่น ถ้วยเรตที่ซับซ้อน: สายไฟและสายเคเบิล ตัวเหนี่ยวนำ ตัวสะท้อนปริมาตร ฯลฯ ในหลายกรณีของการใช้งาน "กระแสไฟฟ้าต่ำ" (อิเล็กทรอนิกส์ เซ็นเซอร์) การใช้เทคโนโลยีฟิล์มสำหรับการผลิตโครงสร้างที่ใช้ฟิล์ม HTSC นั้นมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม สำหรับการใช้งาน "กระแสไฟฟ้าสูง" (พลังงาน การขนส่ง เทคโนโลยีเครื่องเร่งความเร็ว ฯลฯ) การพัฒนาเทคโนโลยีสำหรับการผลิตวัสดุ HTSC เซรามิกจำนวนมากที่มีความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้าสูงและคุณสมบัติที่มีเสถียรภาพยังคงมีความเกี่ยวข้อง

บทความนี้นำเสนอผลการวิจัยหลักเกี่ยวกับการพัฒนาวิธีการผลิตและการศึกษาคุณสมบัติของเซรามิก HTSC ในตระกูล YBa2Cu3O7_x เป้าหมายของงานคือการพัฒนาวิธีการสังเคราะห์ผงอัลตราไฟน์ (UDP) ของเฟส HTSC การบดอัดและการเผาเซรามิกตัวนำยิ่งยวดเฟสเดียวที่มีลักษณะวิกฤตสูง

เฟสแข็งและการแพร่กระจายในตัวเอง

การสังเคราะห์ HTSC ที่อุณหภูมิสูง

การสังเคราะห์เฟสออร์โธฮอมบิกของตัวนำยิ่งยวด YBa2CuзO7_x (x<0,4 - фаза "1-2-3") - многостадийный процесс последовательных химических и структурных превращений синтезируемых компонентов. Среди многих известных методов синтеза ВТСП-порошков нами разрабатывался метод твердофазного керамического синтеза.

ดังที่ทราบกันดีว่าการสังเคราะห์เฟสโซลิดเป็นกระบวนการแพร่กระจาย การวิเคราะห์เส้นทางและเงื่อนไขทางอุณหพลศาสตร์ของการสังเคราะห์แสดงให้เห็นว่าเมื่ออุณหภูมิของการสังเคราะห์เฟส 1-2-3 ลดลงต่ำกว่า 950 °C ที่ทราบกันดี ความน่าจะเป็นของการก่อตัวของเฟส 2 ที่ไม่ใช่ตัวนำยิ่งยวด 1-1 จะลดลง โดยป้องกันการเผาเกรนผลลัพธ์ของเฟส 1-2-3 ซึ่งเป็นขั้นตอนการสังเคราะห์ที่ไม่พึงประสงค์ สภาวะดังกล่าวจะเกิดขึ้นได้เมื่อใช้รีเอเจนต์ทั้งหมดหรือหนึ่งในนั้นในรูปแบบของ UDP แสดงให้เห็นว่าในประจุเริ่มต้นในสถานะอัลตราดิสเพอร์กระจาย ก็เพียงพอแล้วที่จะใช้ทองแดงเท่านั้น ในส่วนผสมขององค์ประกอบ 1-2-3 โดยใช้ UDP

Cu อุณหภูมิการสังเคราะห์ลดลงเป็น 920 °C และระยะเวลาการก่อตัวของเฟส HTSC ลดลง 12 ชั่วโมงซึ่งสัมพันธ์กับการเพิ่มจำนวนนิวเคลียสเนื่องจากปัจจัยทางเรขาคณิต - จำนวนและพื้นที่ที่มากขึ้น การสัมผัสกันระหว่าง Cu UDP และอนุภาคขนาดใหญ่ของ U2O3 และ BaCO3 จลนศาสตร์ของการก่อตัวของเฟสมีความเข้มข้นขึ้นเนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายของสารในอนุภาคทองแดงระดับต่ำกว่าไมครอน (ซึ่งมีปริมาณปริมาณสัมพัทธ์สูงสุดในประจุ) เพิ่มขึ้นที่ส่วนต่อประสานของรีเอเจนต์เนื่องจากกิจกรรมพื้นผิว ความบกพร่อง และความสามารถในการแพร่กระจายทางอุณหพลศาสตร์ ของโครงสร้างตลอดจนการแยกเมล็ดของระยะกลางของการสังเคราะห์ออกจากอนุภาคขนาดใหญ่ของรีเอเจนต์อย่างมีประสิทธิภาพเนื่องจากความเค้นตามขอบเกรน เป็นผลให้ UDP HTSC UVa2Cu307-x เฟสเดียวถูกสังเคราะห์ด้วยขนาดอนุภาคเฉลี่ย 0.4...0.7 μm อุณหภูมิวิกฤติของการเปลี่ยนผ่านของตัวนำยิ่งยวด Tc = 95 K และความกว้างของการเปลี่ยนผ่าน Tc = 1 K

การสังเคราะห์เฟส HTSC สามารถทำได้ไม่เพียงแต่โดยปฏิกิริยาโซลิดเฟสเท่านั้น แต่ยังโดยวิธีการสังเคราะห์อุณหภูมิสูงที่แพร่กระจายด้วยตนเอง (SHS) เมื่อปฏิกิริยาการสังเคราะห์ดำเนินการอันเป็นผลมาจากชั้นต่อชั้น การให้ความร้อนด้วยตนเองของส่วนผสมของรีเอเจนต์เนื่องจากผลกระทบทางความร้อนแบบคายความร้อน

การก่อตัวของสารประกอบ UVa2Cu307-x ที่มีผลคายความร้อนดังกล่าวเกิดขึ้นได้จากปฏิกิริยา:

1/2U2O3 + 2BaO2 + 3Cu + nO2 ^UBa2Cu307.x + O,

โดยที่ BaO2, O2 เป็นสารออกซิไดซ์ Cu เป็นตัวรีดิวซ์ทองแดงที่ไม่ออกซิไดซ์ของโลหะ

การใช้ UDP Cu จะทำให้ปฏิกิริยาการสังเคราะห์เข้มข้นขึ้นและเพิ่มผลกระทบทางความร้อน O (เป็นตัวกำหนดความยั่งยืนของปฏิกิริยาในประจุ) เนื่องจากพลังงานที่สะสมไว้สูงของอนุภาคขนาดเล็กมาก

เพื่อกำหนดรูปแบบของระบบ SHS 1-2-3 โดยใช้ UDP Si nami

การศึกษากระบวนการในการไหลของออกซิเจนและในอากาศ ความเป็นไปได้ในการควบคุมอุณหภูมิการเผาไหม้โดยการแนะนำตัวออกซิไดเซอร์เพิ่มเติม ระดับการบดอัดของประจุเริ่มต้น และการเลือกรูปทรงของตัวอย่าง ในการศึกษาเหล่านี้ ภารกิจคือการกำหนดสภาวะที่อุณหภูมิการเผาไหม้อยู่ในช่วง 900.970 °C กล่าวคือ สอดคล้องกับอุณหภูมิของการสังเคราะห์และการเผาผนึกของ HTSC เฟส 1-2-3

จากการผสมที่เป็นเนื้อเดียวกันของส่วนประกอบเริ่มต้น การบดอัดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่างๆ Br (7, 10, 14 และ 18 มม.) ที่มีความสูง 3 มม. ถูกสร้างขึ้นโดยการกดแกนเดียวแบบคงที่แบบแห้งที่ความดันกด P ตั้งแต่ 50 ถึง 350 MPa

คลื่นการเผาไหม้ในคอมแพ็คเริ่มต้นได้สองวิธี: โดยการทำความร้อนอย่างรวดเร็วทั้งคอมแพ็คในเตาเผาแบบท่อที่ทำขึ้นเป็นพิเศษที่อุณหภูมิ 800 °C และใช้ขดลวดไฟฟ้าที่ให้ความร้อนพื้นผิวของคอมแพคถึง 750 °C ในทั้งสองกรณี ทันทีหลังจาก SHS ไม่พบเอฟเฟกต์ Meissner ในตัวอย่าง และการหลอมเพิ่มเติมที่ 950 °C เป็นเวลา 2.8 ชั่วโมงมีความจำเป็นสำหรับการก่อตัวของเฟส HTSC แน่นอนว่าสำหรับการบีบอัดของเรขาคณิตที่ศึกษา การเผาไหม้จะเกิดขึ้นใน ระบอบการปกครองที่ไม่ใช่อะเดียแบติกโดยพื้นฐานแล้ว ซึ่งไม่สอดคล้องกับสภาวะทางอุณหพลศาสตร์สำหรับการก่อตัวของเฟส HTSC

การวิเคราะห์เฟสรังสีเอกซ์ที่ดำเนินการกับตัวอย่างหลัง SHS ก่อนการหลอมแสดงให้เห็นว่ามีเฟส U4Ba3O9, BaCuO2, เฟส tetragonal 1-2-3, Cu0, Cu, Y2O3 ที่ไม่ทำปฏิกิริยา รวมถึงเฟสออร์โธฮอมบิกจำนวนเล็กน้อย 1-2-3. ปริมาณของเฟส HTSC Csp เพิ่มขึ้นเป็น 40% หลังจากการหลอมที่ 950 °C เป็นเวลา 2 ชั่วโมง และเป็น 50.60% หลังจากการหลอมที่ 950 °C เป็นเวลา 6 ชั่วโมง

ค่าของเอฟเฟกต์ Meissner x ซึ่งสัมพันธ์กับเนื้อหาของเฟส HTSC ในตัวอย่าง ขึ้นอยู่กับแรงกดของประจุก่อนที่จะเริ่ม SHS และรูปทรงของตัวอย่างจะแสดงในรูปที่ 1 1.

หรือ = 14 mmu \ P = 18 มม. ม

■■ 1- -1-*-1-

ข้าว. 1. ขนาดของเอฟเฟกต์ Meissner ในคอมแพ็ค HTSC สังเคราะห์โดยวิธี SHS และอบอ่อนที่ 950 C เป็นเวลา 2 ชั่วโมง (a) จากนั้น 6 ชั่วโมง (b) - ขึ้นอยู่กับแรงกด P

การกดแบบแห้งของ UDP HTSC ภายใต้อิทธิพลของ

อัลตราซาวนด์

ในทุกขั้นตอนทางเทคโนโลยีของการผลิตเซรามิก HTSC จำเป็นต้องคำนึงถึงความสามารถในการแพร่กระจายของ HTSC เฟส 1-2-3 แบบออร์โธฮอร์ฮอมบิก และความไวสูงต่อปริมาณออกซิเจนและการมีอยู่ของไอน้ำ ในเรื่องนี้ มีความเกี่ยวข้องในการพัฒนาวิธีการบดอัดผง HTSC แบบแข็ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งผงที่มีการกระจายตัวสูง (สังเคราะห์จากทองแดง UDP) โดยไม่ต้องใช้สารยึดเกาะและพลาสติไซเซอร์ ดังนั้นเราจึงใช้วิธีการกดผง HTSC แบบแห้งภายใต้อิทธิพลของอัลตราโซนิก (USV) ซึ่งตั้งฉากกับแรงกด

วัตถุประสงค์ของการศึกษาเหล่านี้คือเพื่อศึกษาผลกระทบของอุณหภูมิการเผาผนึกต่อความหนาแน่นของเซรามิก HTSC ที่ผลิตโดยใช้ UDP Cu และเทคโนโลยีมาตรฐาน โดยกดภายใต้โหมดการรักษาด้วยอัลตราโซนิกที่แตกต่างกัน

ตัวอย่างถูกอัดลงในเม็ดยาที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 11.2 มม. ทั้งภายใต้อิทธิพลของอัลตราโซนิกและในโหมดคงที่ ความเข้มของ USV ถูกกำหนดโดยแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า US และ USV เป็น 50, 75 และ 100 V ซึ่งสอดคล้องกับแอมพลิจูดการสั่นสะเทือนของผนังแม่พิมพ์ AUZV = 5, 10 และ 15 µm ที่ความถี่ 21.5 kHz การเผาผนึกดำเนินการที่อุณหภูมิต่ำ: 890 °C (สำหรับตัวอย่างที่มีทองแดง UDP) และ 950 °C (สำหรับตัวอย่างจากรีเอเจนต์มาตรฐาน) เป็นเวลา 48 ชั่วโมง ผลการทดลองแสดงไว้ในรูปที่ 1 2.

สำหรับโหมดการกดทั้งหมด เซรามิกที่หนาแน่นที่สุดจะถูกเผาจากประจุด้วย UDP Cu (ค่า 1, 2, 3 ในรูปที่ 2, b) แม้ว่าความหนาแน่นของคอมแพ็คจะขึ้นอยู่กับแบบไม่ซ้ำซากทั้งประเภทของประจุและ ค่าของ P และ USV สำหรับตัวอย่างที่มี UDP การกดด้วยอัลตราโซนิกในช่วงที่ศึกษาและ USV ไม่มีผลกระทบในทางปฏิบัติต่อความหนาแน่นของเซรามิก (ค่า 1, 2, รูปที่ 2, b) แน่นอนว่าสำหรับผง HTSC ที่กระจายตัวสูงซึ่งสังเคราะห์จาก UDP ขนาดอนุภาคต่ำกว่าไมครอนจะมีขนาดเล็กกว่าแอมพลิจูดการสั่นสะเทือนของเมทริกซ์ AUZV = 5, 10 และ 15 μm อย่างมีนัยสำคัญ และเสียงที่ส่งผ่านการบดอัดของผง HTSC แบบแข็งโดยไม่ทำให้เกิดการกระจัดของการสั่นสะเทือนของ อนุภาค

เฉพาะที่ P = 907 MPa และ USV = 75 V (เส้นโค้ง 2, รูปที่ 2, a) ความหนาแน่นของการบดอัดลดลง - เนื่องจากการรวมตัวกันของผงภายใต้อิทธิพลของอัลตราโซนิคแบบสั่นสะเทือนของแอมพลิจูดที่กำหนด หลังจากการเผาผนึก ความหนาแน่นของตัวอย่างเหล่านี้จะถึงความหนาแน่นของตัวอย่าง UDP อื่น ๆ ที่กดที่ 907 MPa (เส้นโค้ง 2, รูปที่ 2, b) ซึ่งบ่งบอกถึงการเปิดใช้งานเอฟเฟกต์อัลตราโซนิกในอนุภาคผงที่ถูกกด

ความหนาแน่นของเซรามิกที่ทำจากรีเอเจนต์มาตรฐานแย่ลงหลังจากการกดด้วยอัลตราโซนิกด้วยการกดด้วยอัลตราโซนิก = 50 V และปรับปรุงด้วยการกดด้วยอัลตราโซนิก = 75 V, 100 V เมื่อเปรียบเทียบกับการกดแบบคงที่ (เส้นโค้ง 5, รูปที่ 2, b) สำหรับประจุ HTSC ที่กระจายอย่างหยาบในโหมด USV ที่ศึกษา ผลกระทบกึ่งเรโซแนนซ์ของความบังเอิญของแอมพลิจูดการสั่นสะเทือนที่มีขนาดของอนุภาคหรือจับเป็นก้อนปรากฏให้เห็น ซึ่งสะท้อนให้เห็นในความหนาแน่นที่เพิ่มขึ้นของคอมแพ็คและเซรามิกเผาที่ USV = 10 และ 15 μm (USV = 75 และ 100 V - เส้นโค้ง 5 ในรูปที่ 2 )

เนื่องจากอุณหภูมิการเผาผนึกต่ำ (890 °C สำหรับตัวอย่างที่ทำจาก UDP และ 950 °C สำหรับตัวอย่างที่ทำจากรีเอเจนต์มาตรฐาน) ความหนาแน่นของเซรามิก HTSC ในการทดลองเหล่านี้จึงไม่เกิน 5.45 g/cm3 - 86% ของความหนาแน่นตามทฤษฎี หลังจากปรับโหมดการอัดแบบแห้งและการเผาผนึกของ UDP HTSC ให้เหมาะสมแล้ว ความหนาแน่นของเซรามิกสูงถึง 6 กรัม/ซม.3 (ดูตารางที่ 1)

ลักษณะทางไฟฟ้าของผลิตภัณฑ์เซรามิก HTSC ได้รับผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญจากขนาดของเกรนของเฟสตัวนำยิ่งยวดแบบแอนไอโซทรอปิกและพื้นผิวของมัน ในระหว่างการบำบัดความร้อนแบบธรรมดาในขั้นตอนของการเผาผนึก HTSC นี้ จะไม่มีการเจริญเติบโตของเมล็ดพืชแบบแอนไอโซโทรปีที่ชัดเจน อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนรูปทิศทางที่เกิดขึ้นระหว่างการกดเมล็ดแอนไอโซทรอปิกแบบแห้งในแกนเดียวของเฟสที่คล้ายเพอรอฟสไกต์ 1-2-3 ทำให้เกิดทิศทางที่ต้องการ และระบบก็เลิกเป็นไอโซโทรปิก ตั้งฉากกับทิศทางของแรงกดในระหว่างกระบวนการเผาผนึก การเจริญเติบโตของเกรนจะเกิดขึ้นเช่น พื้นผิวถูกสร้างขึ้น หากในกระบวนการบดอัดแบบแห้งในแกนเดียว หาก HTSC Compact ถูกเก็บไว้เป็นเวลานาน (10...20 ชั่วโมง) ภายใต้แรงกดดัน (นั่นคือ ทำให้เกิดความเค้นสม่ำเสมอและทิศทางของการเสียรูปในนั้น)

ข้าว. 2. ความหนาแน่นของคอมแพ็ค PP (a) และเซรามิก HTSC เผา RS (b) ขึ้นอยู่กับความเข้มของ USV และแรงกดของ UDP HTSC: 1) 746 MPa; 2) 907 เมกะปาสคาล; 3) 1,069 เมกะปาสคาล; และประจุจากรีเอเจนต์มาตรฐาน: 4) 746 MPa; 5) 907 เมกะปาสคาล

tion) จากนั้นในระหว่างกระบวนการตกผลึกซ้ำ ทิศทางนี้จะถูกเลือกสำหรับการเติบโตของเกรน เม็ดแอนไอโซทรอปิกของเฟสที่มีลักษณะคล้ายเพอรอฟสกี้ 1-2-3 ซึ่งระนาบ CuO2 ตัวนำยิ่งยวดตั้งฉากกับทิศทางของแรงกด จะเติบโตในทิศทางอย่างเด่นชัดตามแนวระนาบเหล่านี้ (ตามแรงเปลี่ยนรูป) และไปถึงขนาดที่มีนัยสำคัญ (เพิ่มเติม มากกว่า 10 ไมโครเมตร) เนื่องจากการกระจายตัวของการแพร่กระจายของสสารไปตามทิศทางเหล่านี้ การเจริญเติบโตของเมล็ดข้าวจึงถูกยับยั้งในทิศทางอื่นทั้งหมด นี่คือวิธีที่กระบวนการพัฒนาพื้นผิวเซรามิก HTSC ในรูป รูปที่ 3 แสดงโครงสร้างจุลภาคของเซรามิกที่มีพื้นผิว 1-2-3 ที่ถูกเผาภายใต้เงื่อนไขที่ระบุ (ข้อมูลกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนบนเครื่องวิเคราะห์ไมโคร Philips SEM-15 ได้รับความช่วยเหลือจาก V.N. Lisetsky)

การศึกษาของเราแสดงให้เห็นว่าการก่อตัวของพื้นผิวในระหว่างการเผาเซรามิก 1-2-3 จาก HTSC ที่สังเคราะห์ด้วย UDP เกิดขึ้นอย่างเหมาะสมที่ความดันการอัดแห้งในแกนเดียวที่สูงกว่า 300 MPa ซึ่งเป็นระยะเวลาการอัดที่ภาระดังกล่าวมากกว่า 10 ชั่วโมงและการเผาผนึก อุณหภูมิ 950...975 ° C

สมบัติทางไฟฟ้าฟิสิกส์ของเซรามิก HTSC

และพัฒนาผลิตภัณฑ์

เราทดสอบตัวนำยิ่งยวดและคุณสมบัติทางกายภาพอื่นๆ ของตัวอย่างเซรามิก HTSC และผลิตภัณฑ์ที่พัฒนาแล้ว (HTSC SQUIDS, หน้าจอของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า, ตัวสะท้อนปริมาตร) ในการติดตั้งที่สอบเทียบโดยใช้วิธีอุปนัย (Тс; ATC), วิธีการสัมผัส 4 ครั้ง (Тс; ATC) ; กระแสวิกฤต jc ) เช่นเดียวกับอุปกรณ์พิเศษที่ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์นิวตรอน JINR (Dubna); ที่ห้องปฏิบัติการวิศวกรรมวิทยุไมโครเวฟของ MIREA (มอสโก); ที่สถาบันวิจัยฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่ TPU, สถาบันวิจัยอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์, สถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีไซบีเรียที่ TSU, KB "โครงการ" (Tomsk) ในตาราง 1 ในรูป 4

ผลลัพธ์ของการวัดพารามิเตอร์ของตัวอย่างเซรามิก HTSC ที่ผลิตโดยใช้เทคโนโลยีที่อธิบายไว้ข้างต้นจะถูกนำเสนอ

ตัวอย่างเขียงหั่นขนมของเครื่องสะท้อนคลื่นไมโครเวฟเชิงปริมาตรและหน้าจอ HTSC ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจากเซรามิก 1-2-3 ในรูปแบบของกระบอกกลวงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 มม. สูง 40 มม. มีความหนาของผนัง 4 มม. พร้อมด้วยดิสก์ปลายด้วย เส้นผ่านศูนย์กลาง 50 มม. และความหนา 4 มม. ผลิตด้วยเทคโนโลยีโดยใช้ UDP Si เซรามิก HTSC มีความหนาแน่น 5.5 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งมีอุณหภูมิวิกฤติ Tc = 88 เคลวิน ปัจจัยด้านคุณภาพของตัวสะท้อนเสียงดังกล่าว ซึ่งวัดที่อุณหภูมิฮีเลียมเหลว T = 4.2 K คือ O = 2700 ที่ความถี่ / = 10 GHz (R = 3 ซม. ) ความต้านทานพื้นผิวของดิสก์ภายใต้สภาวะเดียวกันคือ -0.04 โอห์ม (ทำการวัดในห้องปฏิบัติการ 46 ของสถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์ฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่ TPU โดย G.M. Samoilenko)

ตารางที่ 1. คุณสมบัติทางไฟฟ้าฟิสิกส์ของตัวอย่างเซรามิก HTSC

พารามิเตอร์ Рс " g/cm3 d,* μm Tc, K ATC, K j ** A/cm2 Qi Q2

เซรามิกส์ 1-2-3 ขึ้นอยู่กับ UDP Cu 5.9...6.0 10.20 95 3.5 920 150 250 150 241

เซรามิก 1-2-3 จากรีเอเจนต์มาตรฐาน 5.2...5.5 40.50 90 1.5 90

ขนาดเกรนเฉลี่ยตามกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดและแบบสแกน

**]с - ความหนาแน่นกระแสวิกฤติที่กำหนดโดยวิธี 4 โพรบ (77 K, 0 T)

th - ตัวประกอบคุณภาพของตัวอย่างเซรามิกกราวด์ที่ความถี่ / = 3 GHz (2A / = 20 MHz) ที่อุณหภูมิห้อง (ในตัวเศษ) และที่ 77 K (ในตัวส่วน) วัดที่ห้องปฏิบัติการวิศวกรรมวิทยุไมโครเวฟ MIREA O.M. โอเลนิก;

O2 คือปัจจัยด้านคุณภาพของตัวอย่างเดียวกัน ซึ่งวัดภายใต้สภาวะเดียวกันในอีกหนึ่งปีต่อมา ซึ่งบ่งชี้ถึงความต้านทานการย่อยสลายของเซรามิก

ข้าว. 3. ภาพ SEM ของเซรามิก HTSC ที่มีพื้นผิว 1-2-3 เผาจาก UDP หลังจากโหลดล่วงหน้าระหว่างการกด และแผนภาพแท่งของการวิเคราะห์เฟสรังสีเอกซ์ (รังสี CoKa)

ข้าว. 4. เส้นโค้งการเปลี่ยนผ่านของตัวนำยิ่งยวดสำหรับเซรามิก HTSC ที่ผลิตโดยใช้ UDP Cu: 1, 2) การกดคงที่แบบแห้ง การเผาผนึกที่ 920 และ 950 °C ตามลำดับ (การวัด Tc_ ดำเนินการที่ FLNP JINR โดย V.N. Polushkin); 3) การกดด้วยอัลตราโซนิค การเผาผนึกที่ 950 C (การวัด T ดำเนินการที่ LSVChR MIREA โดย A.A. Bush)

การทดสอบตัวอย่างทรงกระบอกเดียวกันกับหน้าจอสนามแม่เหล็กไฟฟ้าดำเนินการที่สถาบันวิจัย PP (Yu.V. Lilenko) และที่ SPTI ที่ TSU (A.P. Ryabtsev)

ข้าว. 5. คุณสมบัติการป้องกันของกระบอกสูบ HTSC

ข้าว. 6. ฮิสเทรีซิสของ VPC ในสถานะตัวนำยิ่งยวด (T=77K) ของกระบอกสูบ HTSC

เทคนิคที่ใช้ในการวัดแรงดันไฟฟ้า IC บนคอยล์ตัวเหนี่ยวนำ (ภายนอก) ที่รับซึ่งอยู่นอกกระบอกสูบ HTSC ในขณะที่กระแสทดสอบที่ฉันส่งผ่านคอยล์ตัวกำเนิด (ภายใน) ที่วางอยู่ภายในกระบอกสูบ HTSC แบบกลวง การพึ่งพาПс = /(I) ถูกนำมาใช้ในสถานะตัวนำยิ่งยวดของหน้าจอ (7 = 77 K) และในสถานะปกติ (ที่ 293 K) - รูปที่. 5. ค่าสัมประสิทธิ์การป้องกันที่ 7=77 K

ที่ความถี่ 10 kHz ค่าคือ £>100 ฮิสเทรีซิสของคุณลักษณะสนามแม่เหล็ก (VFC) ของตัวกรอง HTSC ที่ 77 K ตรงกันข้ามกับค่าคงที่ที่ 300 K (รูปที่ 6) ยังบ่งบอกถึงคุณสมบัติไดอะแมกเนติกของผลิตภัณฑ์ที่กำลังศึกษาอยู่ (กระแสผ่านตัวอย่าง 1 ม.) = 1.3 มิลลิแอมป์; / = 10 กิโลเฮิรตซ์)

ความไวของเซ็นเซอร์รบกวนควอนตัมตัวนำยิ่งยวด (SQUID) มีคุณลักษณะเฉพาะด้วยพารามิเตอร์ใน:

นิ้ว = 2 ■1 -ฟุต

ที่นี่ b ~ 10-9.10-10 H คือการเหนี่ยวนำของวงจรควอนตัมใน SQUIDS เซรามิกซึ่งโดยปกติจะเป็นรูที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5-1.0 มม. 1C - กระแสวิกฤติผ่านทางแยกโจเซฟสัน (JJ); Ф0=2.07-10-15 V - ควอนตัมฟลักซ์แม่เหล็ก สำหรับ HTSC SQUID ค่า β = 1.2 สามารถทำได้จริง ดังนั้นค่าของ I ควรเท่ากับ 1.10 mA สำหรับเซรามิก HTSC ได้รับค่าความหนาแน่นกระแสวิกฤติ: XX=1/$=10...103 A/cm2 = 0.1.10 μA/μm2 ที่อุณหภูมิการทำงาน 78 K (κ คือพื้นที่หน้าตัด ของเซรามิก HTSC) ตามมาว่าพื้นที่หน้าตัดของ DP ใน SQUID ควรอยู่ภายใน

0.1.100.µm2 เช่น ขนาดลักษณะของ DP ควรเป็น 0.3.10 ไมครอน เงื่อนไขนี้ระบุขนาดเกรนเฉลี่ยของเซรามิก HTSC ในการสร้าง DP ในเซรามิก HTSC จากเกรนที่มีขนาดที่ระบุในระหว่างการผลิตปลาหมึก HTSC เซรามิกประเภท Zimmermann เราใช้วิธีการสังเคราะห์เฟสของแข็งและการอัดแห้งที่อธิบายไว้ข้างต้น DP ถูกสร้างขึ้นในแท็บเล็ต HTSC ระหว่างสองรูในระหว่างกระบวนการขึ้นรูปและการเผาผนึกของเซรามิก HTSC ที่มีพื้นผิวหนาแน่นซึ่งมีความหนาแน่น 5.7–6.0 g/cm3 โดยมีขนาดเกรนในระนาบพื้นผิว 10.20 μm จากนั้น ด้วยการเขียนแบบเชิงกลด้วยการควบคุมภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงและการบำบัดความร้อนในภายหลังในการไหลของออกซิเจน ทำให้ได้ความหนา DP ที่ต้องการที่ ~10 μm ความไวของปลาหมึกต่อสนามแม่เหล็กภายนอกมีค่าถึง 1.2 μV/Fo

จากผลการดำเนินงาน จึงได้ข้อสรุปดังนี้

1. ภายใต้สภาวะธรรมชาติ SHS ของประจุจำนวนมากขององค์ประกอบ 1-2-3 และประจุอัดแน่นไม่ทำให้เกิดเฟส HTSC ซึ่งการสังเคราะห์จะต้องผ่านการอบอ่อนเพิ่มเติมที่อุณหภูมิ 950 °C

2. การเริ่มต้นของ SHS ในอากาศด้วยพัลส์ไฟฟ้าจากพื้นผิวของคอมแพ็คของเรขาคณิตที่ศึกษานั้นสังเกตได้เฉพาะกับประจุที่มี UDP Cu เท่านั้น การใช้ทองแดงหยาบในกรณีนี้ไม่ได้ให้ผลกระทบทางความร้อนที่จำเป็นของปฏิกิริยา

3. สำหรับการก่อตัวของเฟส HTSC โดยวิธี SHS ต้องใช้รีเอเจนต์ที่มีเกรดไม่แย่กว่าเกรดเชิงวิเคราะห์ (โดยหลักๆ แล้วคือสารออกซิไดซ์ Ba02)

4. ในช่วงมิติทางเรขาคณิตที่ศึกษา ปัจจัยรูปร่างที่เหมาะสมที่สุดสำหรับ SHS HTSC คือ Нр/Вр = 3/\4, แรงกด >150 MPa ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ความหนาแน่นของเซรามิกถึง 4.6 g/cm3 ปริมาณของเฟส HTSC คือ 54%, T = 86 K, AT = 5 K

5. การกดแบบแห้งภายใต้อิทธิพลของอัลตราซาวนด์มีประสิทธิภาพสำหรับประจุ HTSC ที่กระจัดกระจายหยาบที่แอมพลิจูดการสั่นของเมทริกซ์ AUZV = 10 และ 15 μm เมื่อเอฟเฟกต์เสมือนเรโซแนนซ์ปรากฏขึ้นเมื่อแอมพลิจูดของการสั่นเกิดขึ้นพร้อมกับขนาดของอนุภาคหรือกลุ่มก้อน

6. การก่อตัวของพื้นผิวระหว่างการเผาเซรามิก 1-2-3 จาก UDP HTSC ที่สังเคราะห์ขึ้นเกิดขึ้นอย่างเหมาะสมที่ความดันการอัดแห้งในแกนเดียวที่สูงกว่า 300 MPa ซึ่งเป็นระยะเวลาการอัด ณ เวลานี้

โหลดได้นานกว่า 10 ชั่วโมง และอุณหภูมิการเผาผนึก 950...975 °C

7. เทคโนโลยีการสังเคราะห์เฟสโซลิดของ UDP HTSC และการบดอัดแบบแห้งมีประสิทธิภาพในการเผาเซรามิก HTSC ที่มีพื้นผิวหนาแน่นด้วยพารามิเตอร์ที่สำคัญสูงและผลิตผลิตภัณฑ์ HTSC จากมัน: หน้าจอของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า เครื่องสะท้อนเสียง SQUIDS

งานเกี่ยวกับการวิเคราะห์สภาวะการกดด้วยคลื่นอัลตราโซนิกได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิรัสเซียเพื่อการวิจัยขั้นพื้นฐาน ให้ทุน 01-03-32360

บรรณานุกรม

1. Tretyakov Yu.D., Gudilin E.A. หลักการทางเคมีของการได้รับตัวนำยิ่งยวดของโลหะออกไซด์ // ความก้าวหน้าทางเคมี - 2000. - ต. 69. - ฉบับที่ 1. - หน้า 3-40.

2. Didenko A.N., Pokholkov Yu.P., Khasanov O.L. และอื่น ๆ การใช้ผงอัลตราไฟน์ในการสังเคราะห์เซรามิกตัวนำยิ่งยวด U-Ba-Cu-O // ฟิสิกส์เคมีและเทคโนโลยีของวัสดุตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง - ม.: เนากา, 2532. - หน้า 133-134.

3. Pokholkov Y.P. , Khasanov O.L. การสังเคราะห์และการศึกษาคุณสมบัติของเซรามิก HTSC ที่มีพื้นผิวความหนาแน่นสูงโดยใช้ผงอัลตราไฟน์ // ใน: การนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง - Tomsk: สภาวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับ RSTP RSFSR "VTSP" - 1990. - หน้า 28-34.

4. แพท. 1829811 สหพันธรัฐรัสเซีย เอ็มเคไอ N01b 39/14. วิธีการผลิตผงโมโนเฟสที่กระจายตัวสูงของตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง UBa2Ci3O7-x / O.L. คาซานอฟ, G.F. Ivanov, Y.P. โปโคลคอฟ, G.G. ซาเวเลเยฟ. ตั้งแต่ 03.23.94.

5. Pokholkov Y.P. , Khasanov O.L. , Sokolov V.M. และอื่น ๆ คุณสมบัติของเทคโนโลยี ultradisperse สำหรับการผลิตเซรามิกตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง // วิศวกรรมไฟฟ้า - 2539. - ฉบับที่ 11. - หน้า 21-25.

6. Merzhanov A.G., Peresada A.G., M.D. Nersisyan และอื่นๆ // จดหมาย JETP. - 2531. - ต. 8. - ฉบับที่. 11. - หน้า 604-605.

7. Khasanov O.L., Sokolov V.M., Pokholkov Y.P. การบดอัดด้วยอัลตราโซนิกของผงที่มีการกระจายตัวสูง UBa2Cu3O7-x // วิทยาศาสตร์วัสดุของตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูง: Proc. รายงาน II นานาชาติ การประชุม - Kharkov: Institute of Single Crystals of NASU, 1995. - หน้า 149.

8. คาซานอฟ โอ.แอล., โซโคลอฟ วี.เอ็ม., ดวิลิส อี.เอส. และอื่น ๆ เทคโนโลยีอัลตราโซนิกสำหรับการผลิตนาโนเซรามิกเชิงโครงสร้างและเชิงหน้าที่ // วัสดุเปอร์สเปคทีฟ - พ.ศ. 2545 - ฉบับที่ 1. - หน้า 76-83.

9. Pokholkov Y.P. , Khasanov O.L. , Roitman M.S. และอื่น ๆ การพัฒนาเทคโนโลยีสำหรับการผลิตปลาหมึก HTSC เซรามิกและแมกนีโตมิเตอร์พื้นฐาน // การแปลงในการผลิตเครื่องมือ: Proc. รายงาน วิทยาศาสตร์เทคนิค สัมมนา. - ตอมสค์: TPU, 1994. - หน้า 32.

UDC 621.039.33:541.183.12

การแยกไอโซโทปและไอออนด้วยคุณสมบัติคล้ายคลึงกันในกระบวนการแลกเปลี่ยนด้วยการผกผันทางเคมีไฟฟ้าของการไหลของเฟส

เอ.พี. เวอร์กัน, ไอ.เอ. Tikhomirov, L.I. โดโรฟีวา

มหาวิทยาลัยสารพัดช่าง Tomsk อีเมล: [ป้องกันอีเมล]

นำเสนอผลการศึกษาทางทฤษฎีและทดลองเกี่ยวกับการแลกเปลี่ยนไอโซโทปและไอออน การกลับกระแสเฟสในระบบแลกเปลี่ยนจะดำเนินการในระหว่างการเปลี่ยนอิเล็กโตรไมเกรชั่นของรูปแบบไอโซโทปและไอออนิกในกระบวนการอิเล็กโทรไดอะไลซิส

การดำเนินการแลกเปลี่ยนทางทฤษฎีและอดีตไอโซโทปที่ซับซ้อนมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาการวิจัยแบบไม่มีการทดลองของกระบวนการของวิธีการแยกไอโซโทปที่มีประสิทธิภาพ การพัฒนาการแยกเป็นสิ่งสำคัญทางวิทยาศาสตร์และการปฏิบัติของเทคโนโลยีใหม่สำหรับการแยกไอโซโทปและความสำคัญของไอออนิกซึ่งกำหนดโดยความต้องการ ด้วยคุณสมบัติที่คล้ายคลึงกัน อุตสาหกรรมนิวเคลียร์ การวิจัยในสาขา

สร้างขึ้นบนพื้นฐานของตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงออกไซด์ เซรามิกตัวนำยิ่งยวดได้รับมาครั้งแรกในปี 1986 โดย J. Bednorz และ K. Müller ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบนี้ เซรามิกนี้ทำจากแลนทานัม แบเรียม และคอปเปอร์ออกไซด์ (La 2-x Ba x CuO 4) และมีค่าสูงผิดปกติ วัสดุตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านของตัวนำยิ่งยวด Tc = 35 K อีกหนึ่งปีต่อมาภายใต้การนำของ P. Chu จะได้รับเซรามิกที่มีอิตเทรียม - แบเรียม - ทองแดงออกไซด์ YBa 2 Cu 3 O 7-x โดยมี Tc = 93 K . การค้นพบเหล่านี้ทำให้ตัวนำยิ่งยวดมีแนวโน้มสำหรับการใช้งานจริง

เซรามิกตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง เช่นเดียวกับวัสดุเซรามิกทั่วไป ทำจากผงออกไซด์ การผลิตตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงเซรามิกออกไซด์รวมถึงขั้นตอนหลักดังต่อไปนี้: การให้ส่วนประกอบเริ่มต้นของประจุ, การทำให้เป็นเนื้อเดียวกันของประจุ, การสังเคราะห์ที่อุณหภูมิสูง (ที่อุณหภูมิ 800-1100 o C) รวมถึงการบดประจุกลาง รวมถึงการขึ้นรูป (การอัด) และการเผาผลิตภัณฑ์เซรามิก

ความหนาแน่นและโครงสร้างจุลภาคของวัสดุที่ได้นั้นได้รับอิทธิพลอย่างมากจากสถานะของผงตั้งต้นและสภาวะการสังเคราะห์ วัสดุเซรามิกประกอบด้วยเมล็ดพืชที่ไม่เรียบ รูพรุน และส่วนผสมจากระยะแปลกปลอมเกือบตลอดเวลา ในระหว่างการสังเคราะห์เซรามิกตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง ผงเนื้อละเอียดจะเริ่มเผาที่อุณหภูมิต่ำกว่าผงเนื้อหยาบ วิธีนี้จะหลีกเลี่ยงการก่อตัวของเฟสของเหลวในปริมาณมากและการเสียรูปของตัวอย่าง การแนะนำออกไซด์ที่ไม่บริสุทธิ์จำนวนเล็กน้อยลงในองค์ประกอบฐานมีผลดีต่อคุณสมบัติของเซรามิก โดยส่งเสริมการก่อตัวของพื้นผิวที่ต้องการ

คุณสมบัติทางกลและทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเซรามิก HTSC ถูกกำหนดโดยตรงโดยโครงสร้างที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งประกอบด้วยเมล็ดข้าว รูพรุน และข้อบกพร่องระดับไมโคร ซึ่งตามกฎแล้วจะมีการแปลเป็นภาษาท้องถิ่นที่ขอบเขตของเมล็ดพืช การก่อตัวและการทำลายโครงสร้างจุลภาคของเซรามิกตัวนำยิ่งยวดเกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการเผาผนึก ซึ่งก่อให้เกิดความเครียดภายใน และการทำงานของวัสดุในสภาวะทางกลและความร้อนต่างๆ เซรามิกตัวนำยิ่งยวดประกอบด้วยเม็ดตัวนำยิ่งยวดซึ่งมีลักษณะเป็น jcr ความหนาแน่นกระแสวิกฤตที่ค่อนข้างสูง แต่เนื่องจากพื้นที่ตามขอบเกรนมี jcr ต่ำ ความหนาแน่นวิกฤตของกระแสการขนส่งของเซรามิกอุณหภูมิสูงจะลดลง ซึ่งทำให้การใช้งานในเทคโนโลยียุ่งยากขึ้น

จนถึงปัจจุบัน มีการสร้างเซรามิกตัวนำยิ่งยวดจำนวนมากซึ่งประกอบด้วยธาตุหายาก Y, Ba, La, Nd, Sm, Eu, Cd, Ho, Er, Tm, Lu สำหรับเซรามิกเหล่านี้ การศึกษาเชิงทดลองจะให้อุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านของตัวนำยิ่งยวดในช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ 86 K ถึง 135 K

ที่พบมากที่สุดคือเซรามิกแลนทานัม (La1-xBa)2CuO1-y ที่มี Tc = 56 K, เซรามิกอิตเทรียมที่มี Y-Ba-Cu-O ที่มี Tc = 91 K, เซรามิกบิสมัทที่มี Bi-Sr-Ca-O ที่มี Tc = 115 K, เซรามิกแทลเลียมขึ้นอยู่กับ Tl-Ba-Ca-Cu-O โดยมี Tc = 119 K, เซรามิกปรอท HgBa2Ca2Cu3O8+x โดยมี Tc = 135 K

เทคโนโลยีสำหรับการผลิตเซรามิกที่มีพื้นผิวได้รับการพัฒนาซึ่งทำให้สามารถเพิ่มความหนาแน่นกระแสตามลำดับความสำคัญได้ แต่การผลิตผลิตภัณฑ์ สายไฟ หรือเทปที่มีขนาดใหญ่เพียงพอจากตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูงแบบเซรามิกยังคงเป็นงานทางเทคโนโลยีที่ค่อนข้างยาก องค์ประกอบขนาดใหญ่ขนาดกะทัดรัดที่มีรูปร่างและขนาดต่างๆ มักจะทำจากเซรามิกตัวนำยิ่งยวดออกไซด์ Y-Ba-Cu-O และตัวนำยิ่งยวดแบบยาวนั้นใช้สารประกอบ Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O ในเปลือกของโลหะและโลหะผสมต่างๆ ผลิตภัณฑ์ดังกล่าวมีผลกระทบต่อการนำไฟฟ้ายิ่งยวดที่อุณหภูมิไนโตรเจนเหลวและต่ำกว่า โดยมีลักษณะการพากระแสไฟสูง และเมื่อใช้แล้ว ทำให้สามารถลดน้ำหนักและขนาดของอุปกรณ์ไฟฟ้าได้อย่างมาก ลดต้นทุนการดำเนินงาน และสร้างระบบไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม

ในส่วนประกอบไมโครเวฟ จะใช้ฟิล์มบางของเซรามิก HTSC บนพื้นผิวที่เป็นผลึกเดี่ยว ตามกฎแล้ว พารามิเตอร์หลักของฟิล์ม HTSC ได้แก่ ความต้านทานและความไวต่อสนามแม่เหล็ก พวกมันถูกสร้างขึ้นโดยการสะสมบนพื้นผิวโดยการระเหยของลำแสงเลเซอร์และอิเล็กตรอน การสะสมไอสารเคมี การสปัตเตอร์แคโทดโดยตรงและปฏิกิริยา และเอพิแทกซีลำแสงโมเลกุล

ในปี 1986 I. G. Bednorz และ K. A. Muller ค้นพบตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง (HTSC) ตามกฎแล้วอุณหภูมิวิกฤติของ HTSC อยู่เหนือจุดเดือดของไนโตรเจน (77 K) พื้นฐานของสารประกอบเหล่านี้คือคอปเปอร์ออกไซด์ ดังนั้นจึงมักเรียกว่าคัพเรตหรือออกไซด์ของโลหะ ในปี 1987 อุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านของตัวนำยิ่งยวดอยู่ที่ 92 K บนเซรามิก YBa 2 Cu 3 O 7 จากนั้นจึงเพิ่มเป็น 125 K ในสารประกอบแทลเลียม อุณหภูมิวิกฤตสูงสุดซึ่งบรรลุผลสำเร็จตลอดระยะเวลา 10 ปีของการวิจัย HTSC (~145 K) เป็นของสารประกอบที่มีสารปรอท ขณะนี้รู้จักสารประกอบ HTSC มากกว่าสองโหล - ถ้วยของโลหะต่าง ๆ พวกมันถูกเรียกตามโลหะฐาน: อิตเทรียม (เช่น YBa 2 Cu 3 O 7-x, Tc ~ 90 K), บิสมัท (Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8, Tc ~ 95 K), แทลเลียม (Tl 2 BaCaCu 2 O 8, Tc~110 K), ปรอท (HgBa 2 CaCu 2 O 6 Tc~125 K)

ตัวนำยิ่งยวดออกไซด์มักประกอบด้วยอะตอมที่แตกต่างกัน 4-5 ชนิด และเซลล์ผลึกศาสตร์หนึ่งหน่วยประกอบด้วยอะตอมมากถึง 20 อะตอม HTSC เกือบทั้งหมดมีโครงสร้างเป็นชั้นซึ่งมีระนาบของอะตอม Cu และ O จำนวนชั้นทองแดงที่อยู่ตรงกลางอาจแตกต่างกันออกไป โดยที่จำนวนชั้น CuO 2 ถึง 5 การมีอยู่ของออกซิเจนมีบทบาทสำคัญใน กลไกของความเป็นตัวนำยิ่งยวด ผลการทดลองจำนวนมากแสดงให้เห็นว่าระนาบที่มีออกซิเจนเป็นวัตถุหลักในโครงตาข่ายผลึกซึ่งมีหน้าที่รับผิดชอบทั้งต่อการนำไฟฟ้าของสารประกอบออกไซด์เหล่านี้และต่อการเกิดตัวนำยิ่งยวดในพวกมันที่อุณหภูมิสูง

HTSC เป็นตัวแทนทั่วไปของตัวนำยิ่งยวดประเภท II ที่มีอัตราส่วนความยาวลอนดอนต่อความยาวการเชื่อมโยงกันที่สูงมาก ตามลำดับหลายร้อย ดังนั้นสนามแม่เหล็ก ชม ค 2 มีค่าสูงมากโดยเฉพาะ Bi 2212 มีค่าประมาณ 400 T และ ชม ค 1 เท่ากับหลายร้อยออร์สเตด (ขึ้นอยู่กับการวางแนวของสนามสัมพันธ์กับคริสตัล)

HTSC ส่วนใหญ่มีลักษณะเฉพาะโดยแอนไอโซโทรปีที่รุนแรง ซึ่งนำไปสู่ลักษณะที่ผิดปกติอย่างยิ่งของการพึ่งพาโมเมนต์แม่เหล็กของสารเหล่านี้กับความแรงของสนามไฟฟ้า ถ้ามันเอียงไปที่แกนผลึกศาสตร์หลัก สาระสำคัญของผลกระทบคือเนื่องจากแอนไอโซโทรปีที่มีนัยสำคัญ ในตอนแรกมันจะดีกว่าอย่างกระตือรือร้นสำหรับเส้นกระแสน้ำวนที่จะอยู่ระหว่างชั้นของ CuO 2 และหลังจากนั้นเท่านั้น หลังจากค่าฟิลด์ที่แน่นอน ก็เริ่มเจาะระนาบเหล่านี้

เทคนิคการทดลอง การวัดคุณสมบัติทางแม่เหล็กและ Tc ของตัวนำยิ่งยวด

เทคนิคที่ใช้ในการวัดคุณสมบัติทางแม่เหล็กของตัวนำยิ่งยวดนั้นไม่แตกต่างจากหลักการที่ใช้วัดสารแม่เหล็กธรรมดา เช่น เฟอร์โรแมกเนติก ยกเว้นว่าจะต้องสามารถทำงานที่อุณหภูมิต่ำมากได้ วิธีการทดลองสามารถแบ่งได้เป็น 2 กลุ่ม คือ กลุ่มที่มีฟลักซ์แม่เหล็ก ในวัดในตัวอย่างและที่วัดการดึงดูดของตัวอย่าง ฉัน(รูปที่ 23) แต่ละวิธีการเหล่านี้ให้ข้อมูลที่ครบถ้วนเกี่ยวกับคุณสมบัติทางแม่เหล็กของตัวอย่าง แต่คุณสามารถเลือกวิธีใดวิธีหนึ่งก็ได้ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสถานการณ์ สำหรับการวัดทางแม่เหล็ก อุปกรณ์ต่างๆ จะถูกใช้งานโดยมีระดับความซับซ้อนที่แตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับความไว ระดับของระบบอัตโนมัติ ฯลฯ อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีทั้งหมดนี้อาศัยวิธีการง่ายๆ ซึ่งหนึ่งในนั้นเราจะเน้นไปที่ตอนนี้

วันนี้ฉันเห็นความคิดเห็นนี้และการสนทนาภายใต้นั้น เมื่อพิจารณาว่าวันนี้ฉันอยู่ที่การผลิตสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวด ฉันต้องการแทรกความคิดเห็นสองสามข้อ แต่อ่านอย่างเดียว... ด้วยเหตุนี้ ฉันจึงตัดสินใจเขียนบทความสั้น ๆ เกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง

ประการแรก ในกรณีนี้ ฉันอยากจะทราบว่าคำว่า "ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง" นั้นหมายถึงตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิวิกฤตสูงกว่า 77 K (-196 °C) ซึ่งเป็นจุดเดือดของไนโตรเจนเหลวราคาถูก ตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิวิกฤตประมาณ 35 K มักจะรวมอยู่ในนั้นด้วยเพราะ นี่คืออุณหภูมิของคัพเรตตัวนำยิ่งยวดตัวแรก La 2-x Ba x CuO 4 (สารที่มีองค์ประกอบแปรผัน ดังนั้น x) เหล่านั้น. อุณหภูมิ "สูง" ที่นี่ยังคงต่ำมาก

ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงสองตัวใช้กันอย่างแพร่หลาย - YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO, Y123) และ Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x (BSCCO, Bi-2223) นอกจากนี้ยังใช้วัสดุที่คล้ายกับ YBCO โดยที่อิตเทรียมจะถูกแทนที่ด้วยธาตุหายากอื่น เช่น แกโดลิเนียม โดยมีชื่อเรียกทั่วไปว่า ReBCO
YBCO ที่ผลิตและ ReBCO อื่นๆ มีอุณหภูมิวิกฤต 90-95 K BSCCO ที่ผลิตมีอุณหภูมิวิกฤต 108 K

นอกจากอุณหภูมิวิกฤตที่สูงแล้ว ReBCO และ BSCCO ยังโดดเด่นด้วยค่าขนาดใหญ่ของสนามแม่เหล็กวิกฤติ (ในฮีเลียมเหลว - มากกว่า 100 T) และกระแสไฟฟ้าวิกฤต อย่างไรก็ตาม อย่างหลังทุกอย่างไม่ง่ายนัก...

ในตัวนำยิ่งยวด อิเล็กตรอนจะไม่เคลื่อนที่อย่างอิสระ แต่เป็นคู่ (คู่คูเปอร์) หากเราต้องการให้กระแสไหลผ่านจากตัวนำยิ่งยวดตัวหนึ่งไปยังอีกตัวหนึ่ง ช่องว่างระหว่างพวกมันจะต้องเล็กกว่าขนาดลักษณะเฉพาะของคู่นี้ สำหรับโลหะและโลหะผสม ขนาดนี้คือหลายสิบหรือหลายร้อยนาโนเมตร แต่ใน YBCO และ BSCCO จะมีขนาดเพียงไม่กี่นาโนเมตรและเศษส่วนของนาโนเมตร ขึ้นอยู่กับทิศทางของการเคลื่อนที่ แม้แต่ช่องว่างระหว่างแต่ละเม็ดของโพลีคริสตัลก็กลายเป็นอุปสรรคที่เห็นได้ชัดเจน ไม่ต้องพูดถึงช่องว่างระหว่างแต่ละชิ้นส่วนของตัวนำยิ่งยวด เป็นผลให้เซรามิกตัวนำยิ่งยวดสามารถส่งกระแสผ่านตัวมันเองได้ เว้นแต่จะใช้เทคนิคพิเศษ

วิธีที่ง่ายที่สุดในการแก้ปัญหาคือใน BSCCO: เมล็ดข้าวของมันมีขอบเรียบตามธรรมชาติ และการบีบอัดทางกลที่ง่ายที่สุดทำให้สามารถสั่งเมล็ดข้าวเหล่านี้เพื่อให้ได้ค่ากระแสวิกฤติสูง ทำให้สามารถสร้างสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงรุ่นแรกหรือเทปตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงรุ่นแรกได้อย่างรวดเร็วและง่ายดาย เป็นเมทริกซ์เงินที่ประกอบด้วยหลอดบางๆ จำนวนมากที่เต็มไปด้วย BSCCO เมทริกซ์นี้ถูกทำให้แบนและเม็ดของตัวนำยิ่งยวดจะได้ลำดับที่ต้องการ เราได้รับเทปยืดหยุ่นบางที่ประกอบด้วยแกนตัวนำยิ่งยวดแบบแบนจำนวนมาก

อนิจจา วัสดุ BSCCO นั้นยังห่างไกลจากอุดมคติ: กระแสวิกฤตของมันจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกเพิ่มขึ้น สนามแม่เหล็กวิกฤตของมันค่อนข้างสูง แต่ก่อนที่จะถึงขีดจำกัดนี้ ก็จะสูญเสียความสามารถในการผ่านกระแสขนาดใหญ่ใดๆ ไปได้ สิ่งนี้จำกัดการใช้เทปตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงอย่างมาก ไม่สามารถทดแทนโลหะผสมไนโอเบียม-ไทเทเนียมและไนโอเบียม-ดีบุกเก่าที่ใช้งานในฮีเลียมเหลวได้

ReBCO เป็นเรื่องที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง แต่การสร้างการวางแนวเกรนที่ถูกต้องนั้นเป็นเรื่องยากมาก เมื่อไม่นานมานี้พวกเขาได้เรียนรู้วิธีสร้างเทปตัวนำยิ่งยวดจากวัสดุนี้ เทปดังกล่าวเรียกว่ารุ่นที่สอง ผลิตขึ้นโดยการสปัตเตอร์วัสดุตัวนำยิ่งยวดลงบนพื้นผิวที่มีพื้นผิวพิเศษที่ระบุทิศทางการเติบโตของผลึก อย่างที่คุณอาจเดาได้ว่าพื้นผิวมีขนาดนาโนเมตร ดังนั้นนี่คือนาโนเทคโนโลยีที่แท้จริง ในบริษัท SuperOx ในมอสโก ซึ่งฉันอยู่จริงๆ เพื่อให้ได้โครงสร้างดังกล่าว จะต้องพ่นชั้นกลาง 5 ชั้นลงบนพื้นผิวโลหะ ซึ่งหนึ่งในนั้นจะถูกพ่นด้วยกระแสไอออนเร็วที่ตกกระทบในมุมหนึ่งพร้อมกัน เป็นผลให้ผลึกของชั้นนี้เติบโตในทิศทางเดียวเท่านั้น ซึ่งไอออนจะพ่นออกมาได้ยากที่สุด ผู้ผลิตรายอื่นซึ่งมีอยู่สี่รายในโลกอาจใช้เทคโนโลยีอื่น อย่างไรก็ตามเทปในประเทศใช้แกโดลิเนียมแทนอิตเทรียมซึ่งมีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีมากกว่า

เทปตัวนำยิ่งยวดรุ่นที่สองที่มีความกว้าง 12 มม. และความหนา 0.1 มม. ในไนโตรเจนเหลวในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอกจะผ่านกระแสไฟฟ้าได้สูงถึง 500 A ในสนามแม่เหล็กภายนอก 1 T กระแสวิกฤตยังคงอยู่ ถึง 100 A และที่ 5 T - สูงสุด 5 A หากคุณทำให้เทปเย็นลงจนถึงอุณหภูมิของไฮโดรเจนเหลว (โลหะผสมไนโอเบียมที่อุณหภูมินี้จะไม่เข้าสู่สถานะตัวนำยิ่งยวดด้วยซ้ำ) เทปเดียวกันจะสามารถผ่าน 500 ได้ A ในพื้นที่ 8 T และ "บางส่วน" 200-300 A ในพื้นที่ 8 T ระดับของ Tesla สองสามสิบ (กบบิน) ไม่จำเป็นต้องพูดถึงฮีเลียมเหลว: มีโครงการแม่เหล็กบนเทปเหล่านี้ซึ่งมีสนามที่ระดับ 100 เทสลา! จริงอยู่ ที่นี่ปัญหาความแข็งแรงเชิงกลเกิดขึ้นเต็มกำลัง สนามแม่เหล็กมีแนวโน้มที่จะทำให้แม่เหล็กไฟฟ้าแตกเสมอ แต่เมื่อสนามนี้สูงถึงสิบเทสลา แรงบันดาลใจของมันก็เกิดขึ้นได้อย่างง่ายดาย...

อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีที่ยอดเยี่ยมทั้งหมดนี้ไม่สามารถแก้ปัญหาการเชื่อมต่อตัวนำยิ่งยวดสองชิ้นได้ แม้ว่าคริสตัลจะวางไปในทิศทางเดียว แต่ก็ไม่มีการพูดถึงเรื่องการขัดผิวด้านนอกให้มีความหยาบขนาดต่ำกว่านาโนเมตร ชาวเกาหลีมีเทคโนโลยีในการเผาแถบแต่ละแผ่นเข้าด้วยกัน แต่ก็ยังห่างไกลจากความสมบูรณ์แบบ โดยทั่วไปแล้ว เทปจะเชื่อมต่อถึงกันโดยการบัดกรีแบบธรรมดาโดยใช้การบัดกรีแบบตะกั่วดีบุกแบบธรรมดาหรือวิธีการแบบคลาสสิกอื่น แน่นอนในกรณีนี้ความต้านทานจำกัดจะปรากฏขึ้นที่หน้าสัมผัส ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างแม่เหล็กยิ่งยวดจากเทปที่ไม่ต้องการพลังงานเป็นเวลาหลายปีและเป็นเพียงสายไฟที่ไม่มีการสูญเสียเป็นศูนย์อย่างแน่นอน แต่ความต้านทานการสัมผัสเป็นเพียงเศษส่วนเล็กน้อยของไมโครโอห์ม ดังนั้นแม้ที่กระแสไฟฟ้า 500 A จะมีเพียงเศษส่วนของมิลลิวัตต์เท่านั้นที่ถูกปล่อยออกมา

แน่นอนว่าในบทความวิทยาศาสตร์ยอดนิยม ผู้อ่านกำลังมองหาความบันเทิงเพิ่มเติม... นี่คือวิดีโอการทดลองของฉันกับเทปตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงรุ่นที่สอง:

วิดีโอล่าสุดถูกบันทึกภายใต้ความคิดเห็นบน YouTube ซึ่งผู้เขียนแย้งว่าไม่มีตัวนำยิ่งยวดและการลอยของแม่เหล็กเป็นเอฟเฟกต์ที่เป็นอิสระอย่างสมบูรณ์โดยเชิญชวนให้ทุกคนตรวจสอบความถูกต้องของเขาโดยการวัดความต้านทานโดยตรง ดังที่เราเห็นความเป็นตัวนำยิ่งยวดยังคงมีอยู่

สายไฟ DC ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง - ก้าวสู่เครือข่ายพลังงานอัจฉริยะ

วี.อี. Sytnikov ปริญญาเอก สาขาวิศวกรรมศาสตร์ JSC “NTC FSK EES”
โทรทัศน์. Ryabin รองผู้อำนวยการ JSC “NTC FSK EES”
ดี.วี. โซโรคิน ผู้สมัครสาขาวิศวกรรม JSC “NTC FSK EES”

คำสำคัญ:สายเคเบิลตัวนำยิ่งยวด เครือข่ายไฟฟ้า, กระแสวิกฤติ, ไครโอเจนิกส์

อุตสาหกรรมไฟฟ้าแห่งศตวรรษที่ XXI ควรจัดให้มีการผลิตพลังงาน การขนส่ง และการใช้ที่มีประสิทธิภาพสูง ซึ่งสามารถทำได้โดยมีข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับความสามารถในการจัดการระบบพลังงาน เช่นเดียวกับพารามิเตอร์ทางนิเวศวิทยาและทรัพยากรในการประหยัดทรัพยากรในทุกขั้นตอนของการผลิตและการจำหน่ายพลังงานไฟฟ้า การใช้เทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวดช่วยให้บรรลุระดับสติปัญญาใหม่ของการทำงานในอุตสาหกรรมนี้ PAO FSK EES ได้ดำเนินโครงการวิจัยและพัฒนาซึ่งรวมถึงการพัฒนาสายเคเบิล AC และ DC ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง (ต่อไปนี้จะเรียกว่า HTSC CL)

คำอธิบาย:

อุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้าแห่งศตวรรษที่ 21 จะต้องมั่นใจในประสิทธิภาพสูงในการผลิตพลังงาน การขนส่ง และการบริโภค ซึ่งสามารถทำได้โดยการเพิ่มข้อกำหนดสำหรับการควบคุมระบบไฟฟ้าตลอดจนคุณลักษณะด้านสิ่งแวดล้อมและการประหยัดทรัพยากรในทุกขั้นตอนของการผลิตและการจำหน่ายไฟฟ้า การใช้เทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวดช่วยให้เราสามารถก้าวไปสู่ระดับการทำงานทางปัญญาใหม่ของอุตสาหกรรมนี้ในเชิงคุณภาพ PJSC FGC UES นำโปรแกรมการวิจัยและพัฒนามาใช้ ซึ่งรวมถึงการสร้างสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง (ต่อไปนี้จะเรียกว่า HTSC CL) สำหรับไฟฟ้ากระแสสลับและไฟฟ้ากระแสตรง

V.E. Sytnikov,ปริญญาวิศวกรรมศาสตรดุษฎีบัณฑิต. วิทยาศาสตร์ รองผู้อำนวยการฝ่ายวิทยาศาสตร์ JSC "STC FGC UES"

ที.วี. รยาบินรองผู้อำนวยการ JSC "STC FGC UES";

ดี.วี. โซโรคิน, ปริญญาเอก เทคโนโลยี วิทยาศาสตร์ หัวหน้าศูนย์วิจัยและพัฒนาระบบ IES AAS, JSC "STC FGC UES"

อุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้าแห่งศตวรรษที่ 21 จะต้องมั่นใจในประสิทธิภาพสูงในการผลิตพลังงาน การขนส่ง และการบริโภค ซึ่งสามารถทำได้โดยการเพิ่มข้อกำหนดสำหรับการควบคุมระบบไฟฟ้าตลอดจนคุณลักษณะด้านสิ่งแวดล้อมและการประหยัดทรัพยากรในทุกขั้นตอนของการผลิตและการจำหน่ายไฟฟ้า การใช้เทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวดช่วยให้เราสามารถก้าวไปสู่ระดับการทำงานทางปัญญาใหม่ของอุตสาหกรรมนี้ในเชิงคุณภาพ PJSC FGC UES นำโปรแกรมการวิจัยและพัฒนามาใช้ ซึ่งรวมถึงการสร้างสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง (ต่อไปนี้จะเรียกว่า HTSC CL) สำหรับไฟฟ้ากระแสสลับและไฟฟ้ากระแสตรง 1

ในประเทศอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ของโลก กำลังดำเนินการวิจัยและพัฒนาอุปกรณ์ไฟฟ้าประเภทใหม่ที่ใช้ตัวนำยิ่งยวดอย่างเข้มข้น ความสนใจในการพัฒนาเหล่านี้เพิ่มขึ้นเป็นพิเศษในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเนื่องจากการค้นพบตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง (ต่อไปนี้จะเรียกว่า HTSC) ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ทำความเย็นที่ซับซ้อนและมีราคาแพง

อนาคตสำหรับการแนะนำสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวด

เป็นสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดกำลังซึ่งเป็นวิธีการใช้ตัวนำยิ่งยวดที่ได้รับการพัฒนาและทันสมัยที่สุดในอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้าในปัจจุบัน ข้อดีหลักของสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดคือ:

• ประสิทธิภาพสูงเนื่องจากการสูญเสียพลังงานต่ำในตัวนำยิ่งยวด
• ความสามารถในการเปลี่ยนสายเคเบิลที่มีอยู่ด้วยสายเคเบิลที่มีกำลังส่งสูงกว่าในขนาดเดียวกัน
• น้ำหนักเบาเนื่องจากใช้วัสดุน้อยลง
• การเพิ่มวงจรชีวิตของสายเคเบิลอันเป็นผลมาจากการชะลอกระบวนการชราของฉนวน
• อิมพีแดนซ์ต่ำและความยาววิกฤตที่ยาว
• ไม่มีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและความร้อนหลงทางเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและความปลอดภัยจากอัคคีภัย
• ความสามารถในการส่งกำลังสูงที่แรงดันไฟฟ้าค่อนข้างต่ำ

HTSC CL สำหรับกระแสตรงและกระแสสลับเป็นการพัฒนานวัตกรรมที่ช่วยแก้ไขปัญหาเครือข่ายไฟฟ้าส่วนสำคัญ อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้ HTSC DC CL สายจะกลายเป็นองค์ประกอบควบคุมของเครือข่าย ซึ่งควบคุมการไหลของพลังงานที่ส่งจนถึงการกลับตัวของการส่ง สาย HTSC DC มีข้อดีเพิ่มเติมหลายประการเมื่อเปรียบเทียบกับสาย AC:

• ข้อจำกัดของกระแสลัดวงจรซึ่งทำให้สามารถเชื่อมต่อแต่ละส่วนของระบบไฟฟ้าด้านต่ำได้โดยไม่ต้องเพิ่มกระแสลัดวงจร
• เพิ่มเสถียรภาพของเครือข่ายและป้องกันการหยุดทำงานของผู้บริโภคอย่างต่อเนื่องโดยอาศัยความซ้ำซ้อนของย่านพลังงาน
• การควบคุมการกระจายการไหลของพลังงานในแนวขนาน
• การส่งกำลังที่มีการสูญเสียสายเคเบิลน้อยที่สุดและเป็นผลให้ความต้องการระบบไครโอเจนิกลดลง
• ความเป็นไปได้ในการสื่อสารของระบบไฟฟ้าที่ไม่ซิงโครไนซ์

ในเครือข่ายไฟฟ้า สามารถสร้างวงจรโดยใช้ทั้งสาย HTSC AC และ DC ทั้งสองระบบมีการใช้งานที่ต้องการ และท้ายที่สุดแล้ว ตัวเลือกจะถูกกำหนดโดยการพิจารณาทั้งด้านเทคนิคและเศรษฐศาสตร์

เม็ดมีดตัวนำยิ่งยวดระหว่างสถานีย่อยในมหานคร

เครือข่ายพลังงานของมหานครเป็นโครงสร้างที่มีการพัฒนาแบบไดนามิกซึ่งมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

• การเติบโตอย่างรวดเร็วของการใช้พลังงาน ซึ่งโดยทั่วไปจะสูงกว่าอัตราการเติบโตของการบริโภคโดยเฉลี่ยทั่วประเทศ
• ความหนาแน่นของพลังงานสูง
• การปรากฏตัวของพื้นที่ขาดพลังงาน
• การแยกเครือข่ายการจำหน่ายไฟฟ้าในระดับสูงซึ่งเป็นผลมาจากความจำเป็นในการทำซ้ำสายไฟหลายครั้งให้กับผู้บริโภค
• การแบ่งส่วนโครงข่ายไฟฟ้าเพื่อลดกระแสลัดวงจร

ปัจจัยทั้งหมดเหล่านี้เป็นตัวกำหนดปัญหาหลักในเครือข่ายการรวมกลุ่มในเมือง:

• การสูญเสียไฟฟ้าในระดับสูงในเครือข่ายการจำหน่าย
• กระแสไฟฟ้าลัดวงจรในระดับสูงซึ่งในบางกรณีมีค่าเกินความสามารถในการทำลายของอุปกรณ์สวิตช์
• การควบคุมในระดับต่ำ

ในขณะเดียวกันการโหลดสถานีย่อยในเมืองก็ไม่สม่ำเสมอมาก ในหลายกรณี หม้อแปลงไฟฟ้าของสถานีย่อยจะโหลดเพียง 30–60% เท่านั้น ตามกฎแล้วสถานีไฟฟ้าย่อยที่มีทางเข้าลึกในเมืองนั้นใช้พลังงานจากสายไฟฟ้าแรงสูงแยกกัน การเชื่อมต่อสถานีย่อยที่ด้านแรงดันไฟฟ้าปานกลางสามารถให้ความซ้ำซ้อนร่วมกันระหว่างเขตพลังงาน และเพิ่มความจุของหม้อแปลงสำรอง ซึ่งท้ายที่สุดจะนำไปสู่การลดการสูญเสียพลังงานในเครือข่าย นอกจากนี้ การเชื่อมต่อประเภทนี้ยังช่วยให้สามารถใช้ความจุที่ว่างเพื่อเชื่อมต่อโหลดเพิ่มเติมได้โดยไม่จำเป็นต้องทดสอบหม้อแปลงใหม่หรือสร้างสถานีย่อยและสายไฟใหม่

หากมีส่วนแทรก (รูปที่ 1) หม้อแปลงสามตัวจะจ่ายไฟฟ้าให้กับผู้บริโภคที่เชื่อมต่ออย่างเต็มที่โดยมีโหลดไม่เกิน 80% หม้อแปลงตัวที่สี่และสายจ่ายสามารถวางไว้สำรองการปฏิบัติงานได้ ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียพลังงาน นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อเชื่อมต่อผู้บริโภคเพิ่มเติมได้ เม็ดมีดดังกล่าวสามารถทำได้โดยใช้ทั้งเทคโนโลยีแบบดั้งเดิมและการใช้สายเคเบิลตัวนำยิ่งยวด

ภาพที่ 1.

ปัญหาหลักในการดำเนินโครงการดังกล่าวคือความจริงที่ว่าการเชื่อมต่อโดยตรงของสถานีย่อยจะนำไปสู่การเพิ่มขึ้นอย่างมากของกระแสไฟฟ้าลัดวงจร วงจรนี้จะใช้งานได้ก็ต่อเมื่อเม็ดมีดทำหน้าที่สองอย่าง: การส่งกำลังและการจำกัดกระแสลัดวงจร ด้วยเหตุนี้ เมื่อส่งกระแสพลังงานขนาดใหญ่ที่แรงดันการกระจาย สายตัวนำยิ่งยวดจึงมีข้อได้เปรียบที่ไม่อาจปฏิเสธได้

การแก้ปัญหาในการสร้างส่วนแทรกถือเป็นโอกาสที่ดีในการปรับปรุงระบบจ่ายไฟของมหานคร ปัจจุบัน มีโครงการวิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่สามโครงการกำลังดำเนินอยู่ในโลกโดยมีเป้าหมายในการส่งพลังงานสูงที่แรงดันไฟฟ้าปานกลางระหว่างสถานีไฟฟ้าย่อยสองแห่งพร้อมทั้งจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจร: โครงการ HYDRA, นิวยอร์ก, สหรัฐอเมริกา; โครงการ AmpaCity, เอสเซิน, เยอรมนี 2 ; โครงการ "เซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก" ประเทศรัสเซีย เรามาดูโครงการสุดท้ายกันดีกว่า

รัสเซีย HTSC DC CL

เป้าหมายของโครงการเซนต์ปีเตอร์สเบิร์กคือการพัฒนาและติดตั้งสายไฟกระแสตรงตัวนำยิ่งยวดขนาด 50 เมกะวัตต์ระหว่างสถานีย่อยสองแห่งในเมืองเพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือของการจ่ายไฟให้กับผู้บริโภคและจำกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรในเครือข่ายเมืองของเมืองหลวงทางตอนเหนือ โครงการนี้เกี่ยวข้องกับการติดตั้งสายเคเบิลระหว่างสถานีย่อย 330/20 kV "Central" และสถานีย่อย 220/20 kV RP 9 (รูปที่ 2) สาย DC ตัวนำยิ่งยวดจะเชื่อมต่อสถานีย่อยทั้งสองที่ด้านแรงดันไฟฟ้าปานกลาง 20 kV ความยาวสาย 2,500 ม. และกำลังส่ง 50 MW ในโครงการเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก ฟังก์ชันการส่งกำลังและข้อจำกัดกระแสลัดวงจรจะถูกแบ่งระหว่างสายเคเบิลและตัวแปลงเมื่อกำหนดค่าตามนั้น สายไฟ DC ที่มีตัวนำยิ่งยวดต่างจากสายไฟ AC ตรงที่ไม่มีการสูญเสียพลังงาน ซึ่งช่วยลดความต้องการพลังงานในการติดตั้งแบบแช่แข็งได้อย่างมาก อย่างไรก็ตาม ด้วยรูปแบบนี้ ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานเพิ่มเติมในคอนเวอร์เตอร์ สาย DC เป็นองค์ประกอบที่ใช้งานอยู่ของเครือข่ายและช่วยให้คุณควบคุมการไหลของพลังงานในสายที่อยู่ติดกันทั้งในทิศทางและในแง่ของกำลังส่ง

ผลกระทบของโครงการต่อโหมดไฟฟ้า

ในย่านพลังงานของสถานีย่อย 330 kV "Tsentralnaya" และสถานีย่อย 220 kV RP 9 (ต่อไปนี้จะเรียกว่า Tsentralnaya/RP 9) เงื่อนไขหลังเหตุฉุกเฉินจำนวนหนึ่งอาจเกิดขึ้นเนื่องจากการปิดสายไฟฉุกเฉินและเกี่ยวข้องกับการหยุดชะงัก ของการจ่ายไฟฟ้าให้กับผู้บริโภค (การจัดสรรเขตพลังงานให้กับโหลดแยก)

การคำนวณแสดงให้เห็นว่าการสำรองแหล่งจ่ายไฟให้กับผู้บริโภคผ่านการก่อสร้างและการว่าจ้างสายไฟกระแสสลับ (สายเคเบิลแบบเดิมหรือสายไฟเหนือศีรษะ) Central/RP 9 เป็นไปไม่ได้ เนื่องจากสิ่งนี้จะเพิ่มความรุนแรงของสภาวะหลังเหตุฉุกเฉิน สิ่งนี้สามารถหลีกเลี่ยงได้โดยการทดสอบการใช้งานการส่งสัญญาณ DC แบบควบคุมด้วย HTSC DC CL

การควบคุมขนาดและทิศทางการไหลของพลังงานของ DC HTSC CL ยังทำให้สามารถ:

• ลดการสูญเสียพลังงานที่ใช้งานอยู่ในเครือข่ายไฟฟ้า (เนื่องจากการกระจายซ้ำและการกำจัดกระแสไฟขนส่ง)
• เชื่อมโยงผู้บริโภครายใหม่บนพื้นฐานของโครงสร้างพื้นฐานโครงข่ายไฟฟ้าที่มีอยู่ (โดยการกระจายการไหลของพลังงานและกำจัดกระแสไฟที่โอเวอร์โหลดของเครือข่ายไฟฟ้าในโหมดการทำงานปกติและโหมดหลังเหตุฉุกเฉินของระบบไฟฟ้า)

ผลกระทบของโครงการต่อระดับกระแสลัดวงจร

ทำการคำนวณกระแสลัดวงจร 3 สำหรับกรณีการนำสายเคเบิล AC แบบเดิมเข้ามาในวงจร รวมถึงสายเคเบิล HTSC DC จากผลการคำนวณ (ตารางที่ 1) เราได้ข้อสรุปว่าการรวมสายเคเบิล Central/RP 9 AC ในโครงการจ่ายไฟของเซนต์ปีเตอร์สเบิร์กทำให้ค่ากระแสลัดวงจรเพิ่มขึ้นเหนือ ระดับกระแสสะดุดที่กำหนดของสวิตช์ ซึ่งหมายความว่าจำเป็นต้องใช้มาตรการจำกัดกระแสเพิ่มเติมหรือเปลี่ยนอุปกรณ์สวิตชิ่งที่สถานีย่อย การใช้สายเคเบิล DC HSTP (ตารางที่ 3) ไม่ทำให้กระแสลัดวงจรในระบบไฟฟ้าเพิ่มขึ้น

ตารางที่ 1 ผลการคำนวณกระแสลัดวงจร

การกำหนด: ฉัน 3 - กระแสไฟฟ้าลัดวงจรสามเฟส; ฉัน 1 – กระแสไฟฟ้าลัดวงจรเฟสเดียว; ฉันกระแสสวิตช์ปิด - จัดอันดับของสวิตช์ (นำมาใช้ตามสถานะของสวิตช์สถานีย่อยที่ระดับ 2014)

การประมาณค่าการสูญเสียพลังงานในสายตัวนำยิ่งยวด

ในสายไฟฟ้ากระแสสลับแรงดันปานกลาง การสูญเสียพลังงานไฟฟ้าเกิดขึ้นในตัวสายเคเบิล ฉนวนไฟฟ้า และอินพุตกระแสไฟฟ้า ในสายไฟฟ้ากระแสตรงไม่มีการสูญเสียพลังงานในสายเคเบิลและฉนวน แต่มีอยู่ในอุปกรณ์แปลงและอินพุตปัจจุบัน นอกจากนี้ระบบไครโอเจนิกส์ยังใช้ไฟฟ้าเพื่อชดเชยความร้อนทั้งหมดที่ไหลเข้าสู่เขตความเย็นและเพื่อสูบสารทำความเย็นตลอดเส้นทาง

สำหรับสายไฟ AC แรงดันไฟฟ้าปานกลางสามเฟสที่มีกำลังส่ง 100 MVA การสูญเสียพลังงานต่อเฟสคือผลรวมของค่าต่อไปนี้:

• การสูญเสียทางแม่เหล็กไฟฟ้าในแกนสายเคเบิล – 1.0–1.5 W/m;
• ความร้อนที่ไหลผ่านเครื่องแช่แข็ง – 1.5 W/m;
• ความร้อนไหลเข้าผ่านกระแสไฟ – (200–300 W) x 2;
• การสูญเสียพลังงานในฉนวนประมาณ 0.1 W/m

ความร้อนรวมที่ไหลเข้าสู่เขตเย็นที่มีความยาวสายสามเฟส 10 กม. จะเป็น 78.5–93.5 กิโลวัตต์ การคูณค่านี้ด้วยค่าสัมประสิทธิ์การทำความเย็นโดยทั่วไปที่ 20 จะส่งผลให้ได้ 1.57–1.87 MVA หรือน้อยกว่า 2% ของกำลังส่ง

สำหรับสายไฟกระแสตรงที่คล้ายกัน ความร้อนที่ไหลเข้าสู่โซนเย็นจะถูกจำกัดโดยความร้อนที่ไหลผ่านตัวแช่แข็งและตัวนำกระแสไฟฟ้าเท่านั้น จากนั้น การสูญเสียพลังงานทั้งหมดในสายเคเบิลยาว 10 กม. เมื่อคำนึงถึงระบบไครโอเจนิกจะเท่ากับ 0.31 MVA หรือ 0.31% ของกำลังส่ง

ในการประมาณการสูญเสียทั้งหมดในสาย DC ควรเพิ่มการสูญเสียในตัวแปลง - 2% ของกำลังส่ง การสูญเสียขั้นสุดท้ายของสายเคเบิล DC HTSC ยาว 10 กม. สำหรับกำลังส่ง 100 MW คาดว่าจะไม่เกิน 2.5% ของกำลังส่ง

การประมาณการข้างต้นแสดงให้เห็นว่าการสูญเสียพลังงานในสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดนั้นน้อยกว่าสายเคเบิลแบบเดิมอย่างมาก เมื่อกำลังส่งเพิ่มขึ้น เปอร์เซ็นต์ของการสูญเสียพลังงานจะลดลง ด้วยประสิทธิภาพของวัสดุในระดับปัจจุบัน การส่งพลังงานขนาด 150–300 MW ที่ 20 kV และสูงถึง 1,000 MW ที่ 110 kV จึงเป็นไปได้

ความเป็นไปได้ในการดำเนินการ

การทดสอบ HTSC CLs ด้วยกระแสตรงและกระแสสลับที่ประสบความสำเร็จ แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพสูงของเส้นตัวนำยิ่งยวด

ข้อดีหลักประการหนึ่งของสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดคือความสามารถในการส่งกระแสพลังงานขนาดใหญ่ (หลายร้อยเมกะวัตต์) ที่แรงดันไฟฟ้ากระจาย ขอแนะนำให้คำนึงถึงโอกาสใหม่เหล่านี้และใช้เมื่อออกแบบหรือสร้างสิ่งอำนวยความสะดวกเครือข่ายใหม่อย่างรุนแรง

ตัวอย่างเช่น เมื่อสร้างใหม่/สร้างระบบพลังงานของ New Moscow ขอแนะนำให้สร้างเส้นตัวนำยิ่งยวดกำลังแรงตามยาว และเชื่อมต่อสถานีย่อยกำลังแรงหลายแห่งเข้ากับโครงสร้างวงแหวนด้วยสายไฟฟ้ากระแสตรงตัวนำยิ่งยวดที่ด้านแรงดันไฟฟ้าปานกลาง สิ่งนี้จะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานของเครือข่ายได้อย่างมาก ลดจำนวนสถานีย่อยฐาน ทำให้มั่นใจในการควบคุมการไหลของพลังงานในระดับสูง และเพิ่มความน่าเชื่อถือในการจัดหาพลังงานให้กับผู้บริโภคในที่สุด เครือข่ายดังกล่าวอาจกลายเป็นต้นแบบที่แท้จริงของกริดอัจฉริยะแห่งอนาคตได้

วรรณกรรม

1. Glebov I. A. , Chernoplekov N. A. , Altov V. A. เทคโนโลยีตัวนำยิ่งยวด - เวทีใหม่ในการพัฒนาวิศวกรรมไฟฟ้าและพลังงาน // ตัวนำยิ่งยวด: การวิจัยและพัฒนา พ.ศ. 2545 ฉบับที่ 41.
2. Sytnikov V. E. สายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดและโอกาสสำหรับการใช้งานในระบบพลังงานของศตวรรษที่ 21 // ตัวนำยิ่งยวด: การวิจัยและพัฒนา พ.ศ. 2554 ฉบับที่ 15.
3. อีปรี. นาฬิกาเทคโนโลยีอุปกรณ์ไฟฟ้าตัวนำยิ่งยวด 2012 พาโลอัลโต แคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา 2012
4. Stemmle M., Merschel R, Noe M. ฟิสิกส์ Procedia 36 (2012)
5. Sytnikov V. E. , Kopylov S. I. , Shakaryan Yu. G. , Krivetsky I. V. การส่งกระแสตรง HTSC เป็นองค์ประกอบของ "กริดอัจฉริยะ" ของเมืองใหญ่ การประชุมระดับชาติเรื่องการนำยิ่งยวดประยุกต์ครั้งที่ 1 อ.: ศูนย์วิจัยแห่งชาติ "สถาบัน Kurchatov", 2556
6. Kopylov S. , Sytnikov V. , Bemert S. et. อัล // วารสารฟิสิกส์.: ประชุม. ชุด. 2014. V. 507. P. 032047.
7. Volkov E. P. , Vysotsky V. S. , Karpyshev A. V. , Kostyuk V. V. , Sytnikov V. E. , Firsov V. P. การสร้างสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดสายแรกในรัสเซียโดยใช้ปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง คอลเลกชันบทความของ Russian Academy of Sciences "เทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมในภาคพลังงาน", ed. E.P. Volkov และ V.V. Kostyuk อ.: เนากา 2010.

1 บทความนี้มุ่งเน้นไปที่ผลการทดสอบและโอกาสในการนำสายเคเบิล HTSC DC มาใช้ในอุตสาหกรรมพลังงานอย่างกว้างขวาง

2 1. โครงการไฮดรา นิวยอร์ก สหรัฐอเมริกา เป้าหมายของโครงการคือการพัฒนาและติดตั้งสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวด AC ระหว่างสถานีย่อยสองแห่งในเมืองในนิวยอร์กซิตี้ สายต้องมีการสื่อสารความจุสูง (96 MVA) ระหว่างสถานีย่อยที่ด้านรองของหม้อแปลง (13.8 kV) ระบบเคเบิลจะมีความสามารถในการจำกัดกระแสลัดวงจรเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของเทป HTSC รุ่นที่สองไปสู่สถานะการนำไฟฟ้าตามปกติ สิ่งนี้ทำให้แน่ใจได้ว่าค่าความต้านทานของเส้นต่ำในโหมดที่กำหนด (สถานะตัวนำยิ่งยวดของเส้น) และการเปลี่ยนไปสู่สถานะความต้านทานสูงในระหว่างที่กระแสเกินพิกัด
โครงการ HYDRA ผสมผสานฟังก์ชันการส่งกำลังสูงและฟังก์ชันจำกัดกระแสไว้ในอุปกรณ์ตัวเดียว - สายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดที่ออกแบบเป็นพิเศษ ซึ่งทำให้ยากอย่างยิ่งในการปรับสายเคเบิลให้เหมาะสมโดยพิจารณาจากสภาพเครือข่าย สภาวะการระบายความร้อน และการกำหนดเส้นทางสายเคเบิลที่เป็นไปได้ นอกจากนี้ โซลูชันทางเทคนิคที่พัฒนาขึ้นสำหรับโครงการหนึ่งไม่สามารถทำซ้ำกับโครงการอื่นได้ เนื่องจากสภาพการทำงานและเงื่อนไขการติดตั้งที่แตกต่างกัน และด้วยเหตุนี้ สภาพการระบายความร้อนของสายเคเบิล ซึ่งจะต้องเปลี่ยนจากสถานะตัวนำยิ่งยวดไปเป็นตัวนำตามปกติเป็นระยะ ๆ
2. โครงการ AmpaCity เมืองเอสเซิน ประเทศเยอรมนี เป้าหมายของโครงการคือการพัฒนาและติดตั้งระบบส่งไฟฟ้ากระแสสลับตัวนำยิ่งยวดขนาด 40 MVA ระหว่างสถานีย่อยสองแห่งในเมือง ระบบส่งกำลังประกอบด้วยสายเคเบิลตัวนำยิ่งยวดยาว 1,000 ม. และตัวจำกัดกระแส 10 kV ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม การส่งสัญญาณนี้เชื่อมต่อสถานีไฟฟ้าย่อย 110/10 kV สองสถานี Herkules และ Dellbrugge ในใจกลางเมือง Essen การดำเนินโครงการนี้จะอนุญาตให้ถอดหม้อแปลงขนาด 40 MVA หนึ่งตัวและสายขนาด 110 kV ออกไปได้
ในโครงการ AmpaCity ฟังก์ชันการถ่ายโอนกำลังและข้อจำกัดกระแสลัดวงจรจะถูกแบ่งระหว่างสายเคเบิลและตัวจำกัดกระแส สิ่งนี้ทำให้งานออกแบบของแต่ละอุปกรณ์ง่ายขึ้น และช่วยให้สามารถผลิตสายเคเบิลที่มีความเสถียรในระดับสูง ซึ่งเป็นไปไม่ได้ในโครงการ HYDRA แน่นอนว่าจำเป็นต้องประสานคุณสมบัติของสายเคเบิลและตัวจำกัดกระแสไฟฟ้า แต่นี่ไม่ใช่งานยากและโซลูชันทางเทคนิคที่พัฒนาขึ้นระหว่างการดำเนินโครงการสามารถทำซ้ำได้เมื่อพัฒนาบรรทัดอื่นที่มีพารามิเตอร์ที่คล้ายกัน

3 ทำการคำนวณตามการประยุกต์ใช้รูปแบบอนาคตของระบบพลังงานของเซนต์ปีเตอร์สเบิร์กและภูมิภาคเลนินกราดในปี 2563